CN116601423A - 材料供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明提气体供应和分配系统及其操作方法，该系统包括第一在线容器和第一备用容器，其中所述系统用于以预设气体流速分配气体；传感器，其与控制器通信以感测第一在线容器的预定端点，从而使所述控制器在其中具有气体的阵列中启动从所述第一在线容器自动交换到第一备用容器用于随后从所述第一备用容器分配气体；其中所述控制器在感测到预定端点之后启动来自所述第一备用容器的气体流，从而第一备用容器变成第二在线容器，在终止来自所述第一在线容器的气体流之前与第一在线容器同时分配气体一段时间。

Description

材料供应系统

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2020年9月18日提交的美国临时专利申请63/080,481的优先权。

背景技术

本发明一般涉及存储在分配容器中并作为气体从分配容器供应的任何材料(固体、液体或气体)，并且特别地涉及需要连续转换以向一个或多个消耗气体的处理单元提供持续的气体供应的多容器阵列。在一个具体方面，本发明可以涉及一种包含多个存储和分配容器的气柜或批量供应系统，用于向半导体制造设施中的半导体制造工具提供气体，并且涉及用于容器交换以保持气体分配的连续性的自动交换系统。

材料被提供给许多制造过程，特别是在半导体制造中。一些材料是气体、液体或固体，其存储在容器中并作为气体分配到半导体制造设备或工具，例如沉积室、蚀刻室和离子注入机。通常，工艺材料储存在汽瓶中，但也可以储存在任何储存容器中，例如Y型-汽瓶、安瓿、ISO容器或罐。材料可以在升高的或来大气压的压力下储存在容器中。

在半导体制造的一个应用中，前述类型的气体储存和分配容器经常被布置在气柜中，其中多个容器被歧管连接到适当的流动线路或歧管，例如包括管道、阀、限流孔元件、流量调节器、质量流量控制器、吹扫回路、仪器和监测设备等。此类流动线路可以与自动交换系统相关联，所述自动交换系统允许储存和分配容器在气体耗竭或以其他方式接近空的状态时离线，例如通过阀从开到关(或从打开到关闭)的适当交换，使得耗竭的或以其他方式基本上耗尽的容器与流动线路的气体供给关系隔离，以便于容器的更换。随后或同时，例如通过在歧管中流量控制阀从关到开(或从关闭到打开)的适当交换而使满的气体储存和分配容器交换上线，以使这一新容器与流动线路形成气体进料关系。然后隔离的耗尽的容器可以与流动线路解偶联，并从气柜中取出，以便能够安装满的容器，以便在随后的操作期间当先前交换上线的容器已经耗尽气体时，交换使用这一容器。

气体分配硬件和电子器件可以可编程地配置为在第一容器达到耗尽点时的预设压力下实现自动容器转换，在所述耗尽点处第一容器不再能够维持预设压力。为此目的，气体分配硬件和电子器件可被构造和布置成用于气体流动路径的自动或手动排空、吹扫和泄漏检测。可编程逻辑控制器(PLC)可用于系统中以监测阀门状态、系统压力、容器重量和温度，并用于提供控制以下功能的预编程序列：容器更换、启动气流、容器的自动交换、吹扫气体控制、工艺/吹扫气体排空、关闭前确保工艺气流以及容器加热器(例如加热毯)的温度控制。

因此，例如标准气瓶或基于吸附剂和/或配备有内部压力调节器的类型的容器可以被布置在多容器阵列中，其中当到达活动(在线)容器的端点时，发生容器从耗尽的容器到满的容器的自动交换。端点可以以各种方式确定--它可以通过指示容器内容物耗尽的分配气体压力和/或流速的下降来确定，或者它可以通过伴随连续分配气体的容器重量损失来确定，或者通过分配气体的累积体积流量来确定，或者通过预定的操作时间来确定，或者以其它合适的方式来确定。

不管确定容器端点的方式或模式如何，从耗尽的容器到满的容器的自动交换涉及压力的大的下降和气体流的扰乱。转换过程中的这种压力降可能导致压力下降到触发响应的设定点(预设压力)限度以下。这种压力扰乱可能导致警报被启动，并且在极端压力变化条件下，气体输送系统的安全监控元件可能导致气流的关闭和下游气体消耗过程的不希望的停止。可选地，如果系统的过程控制被校准以允许这样大的压力降，则系统可能对引起大的压力降并且需要被解决的实际问题反应迟缓。

在图1中示出了在典型的现有技术的气体输送体系，例如Versum Materials的气体输送柜中在交换期间的压力变化。图1示出了气瓶交换之间压力的显著下降。压力的变化是可变的，并且可能对气体流具有不可预测的影响，例如，对沉积设备和在其中并由此产生的所得膜。对气体流的影响将对所述工艺的变化性产生负面影响。

因此，提供一种用于气体输送系统(用于分配气体)的自动交换设备和方法将是本领域的进步，其使伴随容器交换的压力扰动最小化。

发明内容

本发明一般涉及材料储存和分配容器，并且特别地涉及多容器阵列，所述多容器阵列需要在所述阵列中从一个或多个耗尽的容器连续转换到含新材料的一个或多个容器，以便向气体消耗过程提供连续的气体供应。

本发明提供了一种气体供应和分配系统，所述系统包括至少两个被布置用于顺序在线分配的气体储存和分配容器的阵列，其涉及在所述阵列中从一个或多个第一在线容器到一个或多个第一备用容器的交换，所述系统用于以预设的气体流速分配气体；至少一个控制器；以及与所述控制器通信的一个或多个传感器，其中所述一个或多个传感器感测所述一个或多个第一在线容器的一个或多个预定端点，从而使所述控制器启动在其中具有气体的阵列中从所述一个或多个第一在线容器到所述一个或多个第一备用容器的自动交换，用于随后从所述一个或多个第一备用容器分配气体；其中所述控制器在感测到所述一个或多个预定端点之后启动来自所述一个或多个第一备用容器的气体流，由此所述一个或多个第一备用容器变为一个或多个第二在线容器，其在终止来自所述一个或多个第一在线容器的气体流之前与所述一个或多个第一在线容器同时分配气体一段时间。

本发明还提供了一种显著减小从气体供应和分配系统分配的气体的压力变化的方法，所述气体供应和分配系统包括至少两个布置成用于顺序在线分配的气体存储和分配容器的阵列，其涉及在所述阵列中从一个或多个第一在线容器到一个或多个第一备用容器的交换，所述系统用于以预设气体流速分配气体，该方法包括以下步骤：从所述一个或多个第一在线容器供应工艺气体；耗尽所述一个或多个第一在线容器的工艺气体；感测所述一个或多个第一在线容器的一个或多个预定端点；打开一个或多个阀以开始从所述一个或多个第一备用容器供应工艺气体，所述一个或多个第一备用容器由此变成一个或多个第二在线容器，其与所述一个或多个第一在线容器同时分配工艺气体；将来自所述一个或多个第二在线容器的所述工艺气体的流增加高于预设流速；检测来自一个或多个第二在线容器的增加的流速；

将来自一个或多个第二在线容器的气流返回到预设流速；以及关闭一个或多个阀以将所述一个或多个第一在线容器与所述系统隔离。

本发明提供了减少由于气体输送系统中一个或多个容器的气体供应交换到另一个或多个容器而引起的大的压力变化的益处。

从以下公开内容和所附权利要求书，本发明的其它方面、特征和实施方案将更完全地清楚。

附图说明

图1是在现有技术气体输送系统的交换过程中测得的压力对时间的曲线图。

图2是根据本发明一个实施方案的具有容器交换能力的气体输送系统的正视图。

图3是本发明一个实施方案的气体输送系统的流动歧管的示意图。

图4是根据本发明的一个实施方案的涉及自动交换顺序列的步骤的工艺流程图。

图5是在根据本发明的气体输送系统的交换期间测量的压力对时间的曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种用于多容器阵列的气体输送或分配系统的自动交换设备和方法。气体的输送可以是从两个气体供应容器到单一出口连接，如图2和3的实施方案所示。如图所示，所述系统被构造和布置成在在线气体供应容器耗尽时控制从在线气体供应容器到备份或备用气体供应容器的自动交换。在更换耗尽的气体容器之后，系统可以被重置或者自动重置以自动返回到现在再充满或更换的备用气体容器。在可选实施方案中，多于两个的容器可以连接到单一出口，多于一个容器可以处于在线和/或多于一个容器可以处于备用，并且每个容器可以单独地歧管连接到出口并单独地控制。在这一实施方案中，典型地，系统包括与在线容器相同数量的处于备用的容器；然而，在系统中，任何数量的容器可以是在线的，并且任何数量的容器可以是备用的。

注意，术语“输送”和“分配”在本文中可互换使用，并且术语“工作”和“在线”在本文中也可互换使用。另外，虽然将使用术语“交换”，但是交换可以不限于仅在一个或多个在线的与一个或多个备用容器之间来回，意味着可以存在任何数量的一个或多个在线容器的组和任何数量的一个或多个备用容器的组。例如，容器阵列可以包括在线的单独控制的两个或更多个容器或者两个或更多个容器组(各自通常具有单独的歧管，所述歧管具有至少一个流量调节器、至少一个阀和至少一个传感器)，及仅处于备用的一个容器或者一个或多个容器的组，反之亦然，即，容器阵列可以包括备用的单独控制的两个或更多个容器或者两个或更多个容器组(各自通常具有单独的歧管，所述歧管具有至少一个流量调节器、至少一个阀和至少一个传感器)，及处于在线的仅一个容器或者一个或多个容器的组。术语“端点”或“预定端点”用于描述触发系统开始交换的感测的设定点。应理解，例如对于一些实施方案，在气体压力大于可能的最低值(即，它不是实际终点)，但基本上小于气体压力的期望预设设定点的情况下，预定端点将可能是一个值。术语“耗尽”是相对术语，并不一定指完全空。由于改变对系统的工艺气体需求或其它原因，预设气体流速以及测量或感测的其它值可以随时间改变。在说明书和权利要求书中使用开放式语言，例如“包括”和“具有”，包括部分封闭式和封闭式过渡语言：“基本上由…组成”和“由…组成”，并且因此，该语言可以替代“包括”(在它出现的任何地方)。类似地，任何列表“选自”也包括“选自由…组成的组”，并且可以相应地替换。

本发明基于这样的发现，即，通过提供使在线的一个或多个容器和备用的一个或多个容器同时提供气体直到满足以下一个或多个的设置：达到由系统中的一个或多个压力传感器测量的设定点压力(通常低于期望的预设气体流速)，或者经过了测量的时间段，或者在自动转换系统中达到设定流速，或者在线气瓶的重量已经下降到低于设定点重量，或者已经达到不同于预设温度的高温或低温设定点，可以消除多容器阵列中的材料存储和分配容器的交换的不利压力影响。一旦这些标准中的一个或多个被满足，在线的一个或多个容器被关闭，并且先前备用(新供应)的一个或多个容器供应工艺气体。通过本发明，基本上或完全消除了由于关闭在线的一个或多个容器和使备用的一个或多个容器在线而引起的压力降。

图2是结合了本发明一个实施方案的容器交换能力的气体输送系统100的一个实施方案的正视图。

在一个实施方案中，气体输送系统100可以包括作为主外壳的主机柜12和电子器件外壳26，其中主机柜和电子外壳栓接在一起以形成集成的气体输送系统。气体供应歧管和气体供应容器可以容纳在主机柜12内，主机柜12例如可以由12号冷轧钢构成。如图所示，主机柜12的特征在于具有闩锁18和观察窗22的左侧门14，以及具有闩锁20和观察窗24的右侧门16。如图所示，具有屏幕界面30和开/关按钮28的电子器件外壳26安装在主机柜12的顶部。窗口22、24可以是防火安全玻璃窗，以允许在打开门之前目视检查歧管的状况。在可选实施方案中，气体输送系统可以远程控制和/或气瓶的移除可以由机器人执行，并且因此气体输送系统可以不具有触摸屏、按钮或甚至如图1所示的金属柜。在可选实施方案中，如果需要，诸如控制器和所有相关布线的电子器件可以位于主机柜内。在其它实施方案中，主机箱和电子器件外壳可以是任选的和/或用例如阀歧管盒或阀歧管面板(其不容纳一个或多个容器)和/或单独控制器代替，其位置远离歧管和一个或多个容器。

如图所示，电子器件外壳26包括用于通过触摸屏界面30控制集成气体输送系统的可编程逻辑控制器(PLC)，PLC单元和触摸屏之间的通信通过PLC单元上的串行端口连接实现。所述屏幕具有对应于文本和图形的触敏网格，并且将指令传送到PLC单元。触摸屏显示用户菜单、操作和信息屏幕以及安全屏障以便于仅授权访问系统。

可编程逻辑控制器(PLC)可以用在系统中用于监测阀门状态、系统压力、容器重量和温度、其他传感器，并且用于提供用于控制以下功能的预编程序列：容器更换、启动气流、容器的自动交换、任选的吹扫气体控制、任选的工艺/吹扫气体排空、关闭前确保工艺气流以及任选的容器加热器(例如加热毯)的温度控制。在替代实施方案中，本发明的气体输送系统可以由用于半导体制造的总的主控制器和/或远程控制器控制。因此，应当理解，用于本发明的输送系统的控制器可以包括任何类型的控制器，其基于具有预设变量或操作范围的编程算法，和触发动作的设定点，以及从输送系统中的传感器接收输入来打开和关闭阀和声音警报等，所述传感器包括压力传感器、阀位置、计时器、流量控制器、秤、热电偶或其它中的一种或多种。

在所示的实施方案中，主机柜12包含一对气体储存和分配容器，以及连接到每个容器的歧管；其歧管包括用于气体流、吹扫和通气的管道、阀门等。

气体供应容器，有时在下文中称为气瓶，但不限于气瓶，可以是任何合适的类型。在替代实施方案中，容器可以是一个或多个Y型-气瓶、安瓿、ISO容器或罐。材料可以在升高的或亚大气压的压力下储存在容器中。气体供应容器可以在高于大气压的压力下储存材料，或者可以在低于大气压的压力下储存材料，例如，在含固相物理吸附剂的容器中气体吸附保持在固相物理吸附剂上的情况下。固相物理吸附剂包括例如分子筛、活性炭、二氧化硅、氧化铝、吸附性粘土、大网状聚合物、金属有机骨架(MOF)等。应当理解，气体供应容器可以是任何其它合适的类型，材料保持于其中用于从容器分配气体。气体供应容器可包含固相、液相或者气体、压缩气体或超临界流体形式的工艺材料。内容物的蒸气压可以在0托至3000psig之间变化，甚至更多。

图3是图2的气体输送系统100的流动线路或歧管80的示意图，包括左气体储存和分配容器70A和右气体储存和分配容器70B，其与包括歧管气体流动管线58、58A、58B、60、60A、60B、62、62A和62B的流动线路相互连接。系统的歧管80的A侧(如图所示的左侧)包括用具有后缀A、a或aa的数字标记的管道和气瓶。歧管80的A侧部分还包括管道中的至少一个阀、至少一个控制阀和至少一个压力传感器，更优选地包括管道中的至少两个阀、至少一个控制阀和至少一个压力传感器。系统的歧管80的B侧部分包括用具有后缀B、b或bb的数字标记的管道和气瓶。B侧还包括优选地在管道中的至少一个阀、至少一个控制阀和至少一个压力传感器，更优选地在管道中的至少两个阀、至少一个控制阀和至少一个压力传感器。在可选实施方案中，连接到容器的每个歧管可以包括至少一个阀和至少一个调节器，其控制歧管中来自该容器的气体的流动。调节器可以是在管道中的控制阀和至少一个与之间接或直接通讯的压力传感器。术语歧管可以指系统中的所有管道和阀门，并且还可以用于描述连接到系统中的一个或多个在线容器(或一个或多个备用容器)的管道、阀门和传感器的部分。

没有后缀的管道与系统的A侧和B侧(歧管和气瓶)两者流体连通。这一配置的流动线路被设计用于可具有低内部容积和最小死容积的加压气体的流。在所示的实施方案中，有四种类型的与气体歧管流动线路的连接：(i)工艺气体出口-歧管连接，(ii)任选的吹扫气体-歧管连接，(iii)气体供应容器-歧管连接，和(iv)通气-歧管连接。下面讨论这些中的每一个。

在工艺气体出口-歧管连接中，下游的气体消耗工艺单元(图3中未示出)与工艺气体出口管线58的第一端流体连通并且可以直接与其连接。在所示的实施方案中，气体管线58可以是半导体制造厂的内部线，并且包括任选的压力传感器PT50。或者，气体管线58可直接连接到单一设备或者一个或多个设备。任选地，气体管线58可以另外包含手动和/或自动阀，例如气动阀(未示出)。工艺气体出口管线58还具有与其接合的工艺气体进料管线58A和58B，它们各自分别连接到容器70A和70B并将工艺气体从容器70A和70B提供到工艺气体出口管线58。每个工艺气体进料管线包括至少一个自动或手动阀，并且任选地包括一个或多个自动或手动阀、一个或多个压力传感器和/或一个或多个调节器。在图2所示的实施方案中，工艺气体进料管线58A包括与容器70A流体连通的多个自动阀V12、V13、V14、V15和V16，以及工艺气体进料管线58B包括与容器70B流体连通的多个自动阀V22、V23、V24及V25和V26。系统的优选的至少两个阀是气瓶阀和将歧管(和气瓶)的一部分与工艺气体出口管线隔离的阀。如对于歧管的A侧所示，这些阀包括气瓶阀V11和将歧管的A侧和气瓶70A与工艺气体出口管线58隔离的阀V16。此外，歧管优选地对于歧管80的A侧包括控制阀PCV31和压力传感器PT32，其中压力传感器PT32可用于控制控制阀PCV31。

如图3所示，阀V12、V13和V15是三通阀，其通常对吹扫和通气管线关闭，这意味着它们通常对工艺气体进料管线58A中的工艺气体流打开。这对于工艺气体进料管线58B中的工艺气体流的V22、V23和V25。阀需要被致动以使它们对于吹扫管线和通气管线打开。然而，在替代实施方案中可以使用不同的阀，因此当这些阀被描述为打开时，应当理解，这意味着对于在工艺气体进料管线58A、58B中或如所描述的吹扫和通气管线中的流打开，尽管对于图3中所示的阀，阀位置对于本领域普通技术人员来说可以被认为对于那些三通阀是“关闭”。

在图3所示的实施方案中，工艺气体进料管线58A包括与容器70A流体连通的压力传感器PT30和PT32以及调节器PCV31，且工艺气体进料管线58B包括与容器70B流体连通的压力传感器PT40和PT42以及调节器PCV41。压力传感器PT30和PT40分别监测容器70A和70B的压力。而且，容器70A和70B各自具有分别结合或连接到各个容器的阀V11和V21，使得容器在连接到系统100时可以与系统隔离，而在未连接到系统时(例如在将空容器更换为满容器的过程中)分离。在气体供应容器-歧管连接中，气体储存和分配容器70A经由容器阀V11下游的可释放管连接63A接合工艺气体进料管线58A。气体储存和分配容器70B经由容器阀V21下游的可释放管连接63B接合工艺气体进料管线58B。

在图3中，两个压力传感器位于工艺气体进料管线58A、58B各自的歧管上，并且一个压力传感器位于工艺气体出口管线58中。压力传感器PT30监测与气体储存和分配容器70A相关的压力，并且压力传感器PT40监测与气体储存和分配容器70B相关的压力。压力传感器PT50监测流向下游的气体消耗工艺单元或流向内部管线或到气体消耗工艺单元的其它气体中继的工艺气体出口压力。

在任选的吹扫气体歧管连接中，吹扫气体源(图3中未示出)在吹扫气体进料管线62的第一端处接合到吹扫气体进料管线62。在吹扫气体进料管线62的第二端分开成吹扫气体管线62A和62B，其各自在远离分开处的相对端接合到各工艺气体进料管线58A和58B。如图所示，吹扫气体管线分别经由阀V12和V22连接到各工艺气体进料管线58A和58B。阀V12和V22用于隔离在容器更换过程中或者根据需要或期望另外使用的吹扫气体。吹扫气体是任选的，并且可以是在0psig和3000psig之间的压力下供应的惰性气体的任何组合。在气体容器更换之前和之后供应吹扫气体以清洁工艺气体进料管线对于保持所供应气体的纯度和防止有毒或自燃气体逸出制造设施内部是特别重要的。

如图所示，吹扫气体可以通过阀V12引入到工艺气体进料管线58A中，并且可以在吹扫气体进入工艺气体进料管线的引入点下游的阀处离开工艺气体进料管线58A。例如，吹扫气体可通过阀V12进入工艺气体进料管线58A并通过阀V15离开工艺气体进料管线58A至第二吹扫气体出口管线60aa，其连接至吹扫气体出口管线60A至通气管线60。替代地或另外地，吹扫气体可以通过阀V12进入工艺气体进料管线58A并且通过阀V13离开工艺气体进料管线58A至第一吹扫气体出口管线60a，其连接至吹扫气体出口管线60A至通气管线60。阀V12、V13、V14和/或V15的打开位置是自动和/或手动操作的，以提供所描述的吹扫气体和通气。

接合到吹扫气体进料管线62以构成吹扫气体-歧管连接的吹扫气体源可以是任何合适的吹扫气体源，例如吹扫气体的供应罐，如超高纯度氮气或超高纯度氮气/氦气混合物，或其它合适的单组分或多组分气体介质，如有效用于吹扫歧管管线和相关组件的流动通道。所谓的“室内氮气”(即，可从半导体制造设施中的通用供应设施获得的氮气)或来自其合适来源的清洁干燥空气(CDA)可用于此目的。

现在将描述通气歧管连接。当对于分别在调节器PCV31和PCV41上游的工艺气体进料管线58A和58B的预调节或高压侧的相应侧在线时，分别在歧管80的A侧和B侧的阀V13和V23为工艺气体提供通气通路。分别在歧管80的A侧和B侧的阀V15和V25分别提供分别在调节器PCV31和PCV41下游的工艺气体进料管线58A和58B的后调节器或低压侧的通气通路。通过打开刚才描述的阀并且优选地还分别关闭V16或V26，可以将工艺气体引导至管线60a(60b)或60aa(60bb)、60A(60B)以及60至工艺气体进料管线58A(58B)的通气口。通气口可以处于大气压力下或通向真空源(未示出)，例如Venturi真空发生器或真空泵。此外，如果需要或期望，阀V14和V24可用于将工艺气体进料管线58A和58B的高压侧(分别调节器PCV31和PCV41的上游)与低压侧(分别调节器PCV31和PCV41的上游)隔离。在紧急情况下，在关闭期间或刚好在用吹扫气体吹扫歧管(例如作为气瓶更换的一部分)之前，将歧管中的工艺气体引导至通气口可能变得必要。

在正常操作状况下，容器70A或容器70B供应工艺气体，而相对的容器将处于备用状态。如果容器70A供应工艺气体，容器阀V11、调节器隔离阀V14、调节器PCV31和过程隔离阀(process isolation valve)V16都打开。如果容器70B供应工艺气体，则容器阀V21、调节器隔离阀V24、调节器PCV41和过程隔离阀V26都打开；并且如果容器70B不是正在以最小量供应工艺气体，则过程隔离阀V26关闭。过程隔离阀V26优选地位于歧管80的B侧的工艺气体进料管线58B中的一个或多个压力传感器PT40、PT42和控制阀PCV41的下游(并且都在气瓶70B的下游)。注意，在交换之后在歧管的A侧执行的任何步骤或阀位置和工艺步骤对于歧管的B侧的相应阀等是相同的，反之亦然。当容器70A正在供应时，阀V12、V13和V15打开用于管线58A中的流。当容器70B正在供应时，阀V22、V23和V25打开用于管线58B中的流。

调节器PCV31和PCV41的输出中的每一个基于分别来自位于工艺出口进料管线58A和58B中的出口压力传感器PT32和PT42的反馈而进行控制，或者可选地，通过工艺气体出口管线中的压力传感器PT50或压力传感器的组合来控制。PT32和PT42或PT50中的至少一个存在于系统中用于此目的。压力传感器PT32控制歧管80的A侧来自气瓶70A的流，并且压力传感器PT42控制歧管的B侧来自气瓶或容器70B的的流。这种控制是通过比例-积分-微分控制器(PID)实现的，具有用作输出目标的用户确定的压力传感器PT32、PT42和/或PT50的设定点。压力传感器测量管线中的实际压力，然后将所述实际压力与设定点压力进行比较并在控制回路中用于控制调节器中的阀打开。两个调节器PCV31和PCV41的输出设定点在正常供应情况下通常是相同的。

现在将参考图3和4描述气体供应系统在交换期间的操作。

在图3和4所示的实施方案中，在步骤1中，容器70A和A侧歧管80是在线的并且供应工艺气体，并且容器70B连接到歧管的B侧，准备在需要时输送气体并且处于备用模式。B侧与A侧隔离，而A侧供应气体直到开始交换。(先前的空容器或在歧管B侧耗尽到所需程度的容器可能已经用包含必要材料的容器70B，优选满容器替换，以提供工艺气体。)随着容器70A耗尽或达到预定的另一个更换气瓶(开始交换)的一个或多个端点，在步骤2中，低源通知或更换气瓶信号由用于低压的PT30和/或用于低重量的秤19A或感测预定端点的其它指示器(例如分配的累积时间)产生。作为另一种可选方式，空的/预定的端点可以通过由压力传感器测量的分配气体的流速的减小、分配气体的一种或多种特性的变化率的减小(例如相变，或从溶剂或固体吸附剂中期望的工艺气体的移除)来确定，和/或可以使用其它指示器来建立或检测涉及在线气体供应容器的气体分配的终段限度(一个或多个预定的端点)。

不管如何确定，例如通过重量传感器、压力传感器、流速传感器、体积(累积)流量计、循环计时器、温度传感器或其组合等来感测到达时的预定端点(图4中的步骤2)，如适合于确定预定端点(极限点)的特定模式，并且预定端点或限度感测信号在系统的电子电路中产生，其与气体输送系统的电子电路(控制器)可编程地布置以实现自动交换序列。预定端点感测信号(限度感测信号)使系统进行到步骤3以检查系统B侧的气瓶的存在和状态。如果秤19B和/或其它检测装置，例如一个或多个压力传感器(PT40和/或PT42)和/或操作者人工输入，指示气瓶70B准备好使用并处于备用模式，则自动交换过程继续。如果不是，系统将发出警报。

在步骤4中，如果步骤3中的容器70B被确定为处于备用状态并且因此准备好支持来自所述容器的工艺气体流，则容器70B经由容器阀V21的致动而打开，如果先前未打开的话。如果V21是手动阀，则在进入备用模式之前需要由操作者打开该阀。如果V21是气动的，此时它将被系统控制器自动打开。同时，过程隔离阀V26也由系统控制器自动打开。在所示的实施方案中，如果阀V22、V23、V24和V25中的任何一个被关闭，它们也将被打开。在打开这些阀时，工艺气体开始从气瓶70B通过工艺出口进料管线58B流到工艺气体出口管线58，并且启动自动交换程序。

在步骤5中，当打开容器阀V21时，激活系统和电子电路中的计时器，所述计时器或者计数直到设定时间，或者在设定时间开始并计数到0。该时间段是用于完成工艺气体从耗竭气瓶70A到新气瓶70B的供应交换的设定时间。交换的设定时间通常为大于0秒至1小时、或5秒至30分钟、或5秒至10分钟。

在步骤6中，此时启动均衡计时器(或者计数直到设定时间或者从设定时间倒数计时)，并且系统等待预设的均衡时间段，所述时间段可以是大于0秒到1小时、或者5秒到30分钟、或者5秒到10分钟的任何时间，以允许来自两侧气瓶(来自系统A侧的气瓶70A和来自B侧的气瓶70B)的气体流均衡。在这一均衡时间段中，由于调节器PCV31的输出仍然处于比“滞后”调节器PCV41更高的压力下，容器70A的供应仍然处于“领先”位置。

在步骤7中，当均衡计时器到期，并且从气瓶70A和70B流出的工艺气体基本平衡时，压力传感器PT42或PT50(无论哪个控制调节器PCV41)中的设定点压力增加。压力传感器PT42或PT50中的设定点压力(由使用者(通过控制器(PLC))预先设定，用于在正常供应条件下由气体输送系统供应工艺气体)临时增加0.01psi至10psi，达到临时交换设定点压力。这使得调节器PCV41允许来自容器70B和歧管B侧的工艺气体流增加，最终实现比来自歧管A侧的工艺气体流更高的设定点压力值。这一步骤将容器70B置于领先位置，和将容器70A置于滞后位置。保持增加的流量直到该过程的步骤9。

在步骤8中，压力传感器PT42或PT50测量压力以确认压力已经达到临时交换设定点压力。一旦在PT42或PT50处测得的压力超过正常供应条件下的设定点压力，则认为容器70B现处于“领先”位置，而容器70A处于“滞后”位置。

在步骤9中，当通过压力传感器PT42或PT50确认达到临时交换设定点压力时，系统返回到在压力传感器PT42或PT50的正常供应条件下的设定点压力，并且歧管的B侧返回到调节器的正常供应设定点压力PID。换言之，在此时，暂时PCV41输出设定点增加被移除，并且原始用户确定的设定点被重新建立。

在步骤10中，在开始测量完成以上步骤5中的交换的时间的计时器上已经过去了预先指定的时间量之后，系统(如果是自动的)或操作者(如果是手动的)通过关闭以下的一项或多项来关闭气瓶70A：任意组合的气瓶或容器阀V11、调节器隔离阀V14(如果存在于系统中)和过程隔离阀V16，并且工艺气体继续由包括气瓶70B的系统的B侧提供。在向操作者指示问题的警报发声之前交换完成的时间为1秒到1小时、或5秒到30分钟、或5秒到10分钟，以在步骤4中打开V21和V26之后完成所述过程。完成交换的时间允许控制阀PCV41的稳定化以及在交换过程期间系统的容器70B侧发生错误的情况下提供容错。可能的错误包括气动阀故障或操作员未打开手动隔离阀(如果系统中有的话)。一旦交换警报延迟计时器已经到期并且在歧管的B侧的当前在线新容器70B上没有检测到错误，则在歧管的A侧的耗尽容器70A上关闭容器隔离阀V11和过程隔离阀V16。容器70B现在供应工艺气体，调节器PCV41输出由来自PT42或PT50的反馈使用正常供应设定点压力来控制。容器70A被认为是过期的，并且系统的A侧是空闲的或离线的。

在步骤11中，用新气瓶替换空气瓶70A。该步骤11可以包括本发明方法中的一个或多个附加步骤。在移除空气瓶70A之前，歧管的A侧可以在移除空气瓶70A之前和之后经历多个任选的通气和吹扫步骤，并且手动地或自动地用满的新气瓶70A替换空气瓶A。在歧管A侧管道和新气瓶70A之间进行必要的连接之后，可以进行任选的泄漏检查，并且气瓶70A可以在控制器(PLC)中手动或自动设置为就绪和处于备用模式。

重复步骤1-11以根据需要连续地工艺气体从一个或多个在线容器供应到单个工艺气体出口管线。

实施例

上述过程用于根据本发明改进和操作的2气瓶测试系统中。产生图5所示的交换过程和压力变化对时间的曲线图。图5示出了本发明的系统消除了如图1所示的现有技术系统操作的大的压力降特征，其已被消除或显著减小。工艺变化性的最终降低被认为具有通过使工艺气体恒定地流向需要工艺气体的设备而改善整体工艺控制和增加半导体设备的产品产率的益处。

以上参考具体实施方案示例性地描述了上述发明。然而，应当认识到，本发明不限于此，而是可以用任何多容器阵列来实施，其中在多容器阵列中气体供应从一个容器交换到另一个。此外，尽管已经参照双容器阵列示例性地描述了本发明，但是应当认识到，本发明适于在包括多于两个气体供应容器的多容器阵列中实施。另外，尽管参照图3示出和描述了气柜，但是本发明可以适用于大型气体供应系统，其中气体容器没有容纳在如图2所示的柜中。而且，虽然在此已经参考特定的电路和控制元件以及其关系描述了本发明，但是将认识到，如在此参考附图说明性地陈述和描述的本发明的一般方法可以以多种硬件/软件配置和格式中的任何一种来实施。

应当理解，本发明的装置和方法可以以与本文广泛公开一致的广泛变化的方式实施。因此，虽然在此已经参考特定特征、方面和实施方案描述了本发明，但是将认识到，本发明并不限制于此，而是可以在其它变化、修改和实施方案中实现。因此，本发明旨在被广泛地解释为包括所有这样的其他变化、修改和实施方案，如在以下要求保护的本发明的范围内。

Claims (33)

1.一种气体供应和分配系统，其包括：

至少两个被布置用于顺序在线分配的气体储存和分配容器的阵列，其涉及从所述阵列中的一个或多个第一在线容器到一个或多个第一备用容器的交换，所述系统用于以预设气体流速分配气体；

包括管道和至少两个阀的歧管，其与所述容器的阵列流体连通；

控制器；以及

与所述控制器通信的一个或多个传感器，其中所述一个或多个传感器感测所述一个或多个第一在线容器的一个或多个预定端点，由此使所述控制器在其中具有气体的阵列中启动从所述一个或多个第一在线容器自动交换到所述一个或多个第一备用容器，用于随后从所述一个或多个第一备用容器分配气体；

其中所述控制器在感测到所述一个或多个预定端点之后启动来自所述一个或多个第一备用容器的气体流，由此所述一个或多个第一备用容器变为一个或多个第二在线容器，其在终止来自所述一个或多个第一在线容器的气体流之前与所述一个或多个第一在线容器同时分配气体达一时间段。

2.根据权利要求1所述的气体供应和分配系统，其中所述时间段为所述一个或多个第一在线容器和所述一个或多个第二在线容器达到平衡提供足够的时间。

3.根据权利要求1或2所述的气体供应和分配系统，其中在终止来自所述一个或多个第一在线容器的所述气体流之前的所述时间段内，所述控制器将来自所述一个或多个第二在线容器的气体流增加到大于所述预设气体流速的流速。

4.根据权利要求1或2所述的气体供应和分配系统，其中在终止来自所述一个或多个第一在线容器的所述气体流之前的所述时段段内，所述控制器将来自所述一个或多个第二在线容器的气体流增加到大于所述预设气体流速的流速，并且随后在感测到所述流速高于所述预设流速之后，将来自所述一个或多个第二在线容器的所述流速减小到所述预设气体流速。

5.根据权利要求1或2所述的气体供应和分配系统，其中在终止来自所述一个或多个第一在线容器的所述气体流之前的所述时段段内，所述控制器将来自所述一个或多个第二在线容器的气体流增加到大于所述预设气体流速的流速，并且随后在感测到所述流速高于所述预设流速之后，将来自所述一个或多个第二在线容器的所述流速减小到所述预设气体流速，并且终止来自所述一个或多个第一在线容器的所述流。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述控制器还包括计时器，其在感测到所述预定端点时被激活，以限定所述一个或多个第二在线容器和所述一个或多个第一在线容器分配所述气体的时间段，并且在所述时间段结束时触发所述系统以终止来自所述一个或多个第一在线容器的气体流。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述控制器还包括计时器，其被激活以限定来自所述一个或多个第二在线容器的流速大于所述预设气体流速的时间段，并且在由所述计时器测量的限定时间量结束时触发所述系统以降低来自所述一个或多个第二在线容器的气体流速。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述一个或多个传感器选自压力传感器、计时器、称重秤、质量流量控制器和温度传感器。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述一个或多个预定端点包括所述一个或多个在线容器的预定端点重量。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述一个或多个预定端点包括从所述一个或多个在线容器分配的气体的预定端点压力。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述一个或多个预定端点包括从所述一个或多个在线容器分配的气体的预定端点流速。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述一个或多个预定端点包括从所述一个或多个在线容器分配的气体的预定端点累积体积。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述一个或多个预定端点包括从所述一个或多个在线容器分配的气体的特性的预定端点变化率。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述一个或多个预定端点包括从所述一个或多个在线容器分配的气体的预定端点分配时间。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述歧管包括一个或多个压力传感器，以测量所述一个或多个在线容器的气体压力。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述歧管包括工艺气体供应管线和位于所述工艺气体供应管线中以测量在所述工艺气体供应管线中流动的气体的压力的一个或多个压力传感器。

17.根据权利要求1-16中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述歧管包括一个或多个具有比例积分微分(PID)控制回路的控制阀以控制所述气体的流动。

18.根据权利要求17所述的气体供应和分配系统，其中具有比例积分微分(PID)控制回路的所述一个或多个控制阀与压力传感器可操作地偶联。

19.根据权利要求1-18中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述气体储存和分配容器设置在气柜中。

20.根据权利要求1-19中任一项所述的气体供应和分配系统，其中所述阀包括过程隔离阀，

其中相对于其中从所述一个或多个第一在线容器到所述一个或多个第二备用容器的交换的气体供应和分配系统，所述系统显著地减小由所述系统分配的气体的压力变化。

21.一种显著地减少从气体供应和分配系统分配的气体的压力变化的方法，该系统包括：

至少两个布置用于顺序在线分配的气体储存和分配容器的阵列，其涉及从所述阵列中的一个或多个第一在线容器到一个或多个第一备用容器的交换，所述系统用于以预设气体流速分配气体，所述方法包括以下步骤：

从所述一个或多个第一在线容器供应工艺气体；

从所述一个多个第一在线容器中耗尽所述工艺气体；

感测所述一个或多个第一在线容器的一个或多个预定端点；

打开一个或多个阀以开始从所述一个或多个第一备用容器供应所述工艺气体，所述一个或多个第一备用容器由此变成与所述一个或多个第一在线容器同时分配所述工艺气体的一个或多个第二在线容器；

将来自所述一个或多个第二在线容器的工艺气体的流量增加高于预设流速；

检测来自所述一个或多个第二在线容器的增加的流速；

将来自所述一个或多个第二在线容器的气流重新调节至所述预设流速；以及

关闭一个或多个阀以将所述一个或多个第一在线容器与所述系统隔离。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括在所述打开步骤时启动交换计时器的步骤，其中所述交换计时器测量直到关闭所述一个或多个阀以将所述一个或多个第一在线容器与所述系统隔离的所述步骤的预设时间段。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其中所述系统还包括一个或多个传感器，所述传感器选自重量传感器、压力传感器、流速传感器、体积(累积)流量计、循环计时器、温度传感器或其组合，用于执行所述感测步骤。

24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，还包括在所述打开步骤之前检查所述一个或多个第一备用容器的存在和状态的步骤。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其中所述感测步骤感测由压力传感器测量的所述工艺气体的降低的流速，或所述工艺气体的一个或多个特性的降低的变化率。

26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，还包括以下步骤：在所述增加步骤之前，允许所述一个或多个第二在线容器与所述一个或多个第一在线容器同时分配气体以平衡。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述允许步骤由在所述打开步骤启动的均衡计时器测量。

28.根据权利要求21至27中任一项所述的方法，其中如果在任何步骤中检测到错误，则所述系统将发出警报。

29.根据权利要求21至28中任一项所述的方法，其中在所述关闭步骤之后，所述方法还包括用一个或多个新容器替换所述一个或多个第一在线容器的步骤。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述系统还包括与所述一个或多个第一在线容器流体连通的歧管，并且在移除所述一个或多个第一在线容器的步骤之前，所述方法还包括对所述歧管进行通气和吹扫的步骤。

31.根据权利要求21至30中任一项所述的方法，其中所述一个或多个预定端点选自所述一个或多个第一在线容器的端点重量、从所述一个或多个第一在线容器分配的气体的端点压力、从所述一个或多个第一在线容器分配的气体的端点流速、从所述一个或多个第一在线容器分配的气体的端点累积体积、从所述一个或多个第一在线容器分配的气体的特性的端点变化速率以及从所述一个或多个第一在线容器分配的气体的端点分配时间。

32.根据权利要求21-31中任一项所述的方法，其中通过使用与压力传感器可操作地偶联的比例积分微分(PID)控制回路执行将来自所述一个或多个第二在线容器的工艺气体的流增加到预设流速以上的步骤，该压力传感器与所述一个或多个第二在线容器流体连通。

33.根据权利要求29-32中任一项的方法，其中重复权利要求21至32中的方法步骤，其中所述一个或多个第二在线容器是所述一个或多个第一在线容器，并且所述一个或多个新的容器是所述一个或多个第一备用容器。